DE2715671A1 - Schmierstoffzusammensetzung - Google Patents

Schmierstoffzusammensetzung

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Description

united States Department of Commerce, Washington, D.C, U.S.A. A Department of the United States Government
Schmierstoffzusammensetzung
Die Erfindung betrifft eine Schmierstoff zusammensetzung.
Wegen ihrer thermischen Stabilität haben perfluorierte Polyalkyläther-Flüssigkeiten ein großes Potential zur Nutzung als Maschinenöle, hydraulische Flüssigkeiten und Fette. Jedoch resultiert ein ernstes Hindernis zu ihrer Benutzung aus der Tatsache, daß gewisse Metalle, z.B. einige, die bei Flugzeugmaschinenkcmponenten vorhanden sind, bei erhöhten Temperaturen in einer oxydierenden Umgebung korrodiert werden. Beispielsweise sind ernsthafte Korrosionen bei 500 bis 600 F (entsprechend etwa 260 bis 31ό C) aufgetreten, wenn diese Flüssigkeiten als Schmierstoffe für aus Flußstahl bestehende mechanische Komponenten benutzt
717
Burr1 >.?:r>en IV .'!-!--h 10 71 21. Fe::is>raRe I) i.SOO Bremen j T(.-!.:.,.ii: iÜ4?:i '740--!-I To!.· · . C♦-!■}::< oopuU' T:'0;T : Οί.ι·,;Γ·.·ιτ·,ΓΠ,1'.ί··.τ.:ι·η
(Bi-Z 29030010; 1001449
(BLZ 230 1.0020) 32ÖO83-2O2
Büro München: Sclilotthauer Straße 3 D-SOOOMünchciiiO Telefon: (089! 652321
Tcbgr. : Tciepaten!. München
βο;;η\;ι·ητ
wurden. Außerdem werden rostfreie Stähle, Titan und seine Legierungen durch die Flüssigkeiten über 600 F (316°C) angegriffen. Weiter erfahren die Flüssigkeiten selbst, wenn sie mit Titan und Titanlegierungen benutzt werden, negative Viskositätswechsel zum Nachteil fortgesetzter Schmierkapazität.
Eine ideale Schmierstoff zusammensetzung sollte eine relativ konstante Viskosität besitzen, so daß sie fließbar und pumpbar über einen großen Temperaturbereich ist, z.B. von -50 F bis 600°F (etwa -46°C bis 316°C). Bis heute ist eine Grundflüssigkeit, die dieses Erfordernis erfüllt, nicht erhältlich; z.B. zersetzen sich diejenigen Flüssigkeiten bei erhöhten Temperature^ die bei niedrigen Temperaturen eine ausreichende Viskosität besitzen. Grundflüssigkeiten die stabil sind und eine befriedigende Viskosität bei erhöhten Temperaturen besitzen sind bei Minus-Temperaturen zu viskos zum Fließen oder Pumpen. Daher ist es notwendig, Kompromisse in der Auswahl der Grundflüssigkeiten in Abhängigkeit von den tatsächlichen Benutzungsbedingungen zu schließen.
In der US-PS 3 393 151 eines der Ko-Erfinder der vorliegenden Anmeldung von 16. Juli 1968 sind Schmierstoffe genannt, die einen perfluorierten aliphatischen Polyäther und eine Perfluorophenylphosphor-Verbindung enthalten. In der US-PS 3 4 99 041 eines der Ko-Erfinder der vorliegenden Anmeldung vom 3. März 1970 sind gewisse Perfluoroary!phosphine als antikorrosive Additive für perflucrierte Flüssigkeiten genannt. Während die in diesen Patenten beschriebenen Phosphorverbindungen korrosionshindernde Eigenschaften zeigen, sind sie in perfluorierten Flüssigkeiten bei niedrigen Temperaturen nur schwach löslich. Auch besitzen gewisse Phosphorverbindungen hohe Flüchtigkeitseigenschaften bei langandauernden Hochtemperatüranwendungen. Deswegen sind perfluorierte Flüssigkeiten, die solche Antikorrosionsadditive enthalten, nicht vollständig befriedigend für langandauernde, einen weiten Temperaturbereich umfassende
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Anwendungen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schmierstoffzusammensetzung zu schaffen, die - wenn überhaupt geringe korrosive Effekte auf Eisen- und Titanlegierungen hat, die eine relativ konstante Viskosität über einen weiten Temperaturbereich besitz L und im wesentlichen keiner Zersetzung unterliegt, wenn sie mit Titan in Berührung kommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Grundflüssigkeit, die im wesentlichen aus einer Mischung von fluorierten Polyäthern mit der Formel:
Rf0
(CF2O)
(A)
besteht,wobei Rf CF oder C3F ist, m und η ganze Zahlen sind, deren Summe zwischen 2 und 200 und deren Verhältnis η zu m zwischen 0.1 und 10 liegt; und einen Korrosionsverhinderungsanteil eines perfluoralkyläther-substituierten Arylphosphins mit der Formel:
3-n
wobei eines der R eine Perfluoroalkyläthergruppe, zwei der R . Fluor und n=1, 2 oder 3 sind.
Die Zeichnung zeigt graphisch die Viskositäts-Temperaturbeziehung der in der erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzung benutzten Flüssigkeiten.
Die Grund flüssigkeiten (Formel A) werden synthetisiert durch Präparieron linear perfluoriertor Kopolyäther durch photochemische
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BOEHMFRT & BOEHVERT
Reaktionen mit molekularem Sauerstoff einer flüssigen Phase, die aus einer Lösung von Perfluoroäthylen in einem inerten Lösungsmittel besteht. Das Eliminieren der Peroxidgruppen der Kopolyäther durch thermische Behandlung in einem Temperaturbereich von 100 bis 250 C schafft die in der erfindungsgemäßen Schmierstoff zusammensetzung benutzten Grundflüssigkeiten. ·
Die (CFoCF„0) - und die (CF-O) - Gruppen der fluorierter. Polyäther sind in den Polyäthermolekülen, die CF.,- oder C3F5-Endgruppen besitzen, zufallsverteilt. Die Moleküle können auch eine kleine Anzahl, z.B. etwa 1 bis 2 % der (CF-CF-O) und (CF2O) - Gruppen, an (CF2KO- und (CF2) .0- Gruppen enthalten. Die ganzen Zahlen m und η können auch so bestimmt werden, daß sie solche Werte besitzen, daß die fluorierten Polyäther eine kinematische Viskosität im Bereich von 15 bis 100 Zentistokes (cSt) bei 100°F (780C)- durch die ASTM D445-Methode bestimmt enthalten. Die fluorierten Polyäther werden normalerweise als Mischungen der verschiedenen Moleküle erhalten, von denen jedes ein wohldefiniertes Molekulargewicht besitzt. Die übliche Praxis ist, die fluorierten Polyäther zu fraktionieren, um so ein Produkt zu erhalten, das ein gewünschtes durchschnittliches Molekulargewicht oder eine gewünschte durchschnittliche kinematische Viskosität - wie sie oben definiert wurde - besitzt. Bezüglich einer vollständigeren Diskussion der fluorierten Polyäther und ihrer Herstellungsverfahren v/ird auf die US-PS 3 71 5 von D. Siariesi et al vom 6. Februar 1973 und auf D. Sianesi et al. La Chimica E L'Industria, ^5_, 202-221 (1973) verwiesen.
Bevorzugte fluorierte Phosphine (Formel B) sind solche, in denen der Perfluoroalkylather paraständig zum Phosphor ist. R kann jeder Perfluoroalkyläther sein, so lang die Gruppe wenigstens eine Ätherverbindung besitzt, wobei allerdings oft bevorzugt wird, daß sie zwei oder mehrere enthält. Beispiele der Perfluoroalkyläthergruppen sind Folgende, wobei R = (CF„RfORf) ist:
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NACHGEREICHT
I I C3F7O(CCF2O^CCF2-; C3F5O(C2F4O) CF2CF2-, und
CF3O(CF2O)
wobei χ, y und ζ Null oder ganze Zahlen von 1 bis 20 sind, vorzugsweise 1 bis 4.
Das Verfahren zur Herstellung vollständig fluorierter Phosphine, d.h. wenn η in der obigen Formel gleich 3 ist, kann folgendermaßen sein:
FF FF FF
(D
0
il
(III) + CfORfCX > CuX f Br
(IV)
(III)
HF
(V) + SF,
Br
F F
CRfORf
F F (V)
OR
F F (VI)
(VI) + BuLi
OR, + BuBr
F F (VII)
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BOEHMI7RT & BOcHMFRT
3(VII) + PCL,
3LiCl + P
F F
CF2RfORf
F F
(VIII)
In (1) reagiert 1,4-Dibromotetrafluorobenzen mit Äthylmagnesiumbromid und dies v/ird ausgeführt durch Mischen von Lösungen der Verbindungen in geeigneten Lösungsmitteln unter solchen Bedingungen, daß sich (II) bildet, beispielsweise im Bereich von -5 bis +5 C für 15 Minuten bis 1 Stunde. Das Kupferhalogenid reagiert mit (II), wobei organisches Kupfer (III) gebildet wird.
(III) ist ein Zwischenprodukt, das mit Perfluoroazylhalogeniden reagieren kann, um eine Vielfalt von Ketonen zu bilden, wie in Gleichung (2) gezeigt ist. Die Perfluoroazy!halogenide (IV) werden zu (III) addiert, das in einen Temperaturbereich von -5 bis 5 C abgekühlt wurde, und sie werden bei Raumtemperatur über eine Zeit von 12 bis 14 Stunden reagieren gelassen, wonach die Mischung hydrolisiert wird. Nach Extrahieren des Ketons (V) wird die Lösungsmittelschicht phasengetrennt und getrocknet. Das Keton wird dann durch fraktionierte Destillation wiedergewonnen .
In (3) ist das Keton fluoriert mit Schwefeltetrafluorid. Die Reaktion wird vervollständigt durch Zugabe wasserfreien HF und Schwefeltetrafluorid in einen das Keton enthaltenden gekühlten Druckbehälter, der dann geschüttelt und über eine Zeit von 12 bis 24 Stunden auf einer Temperatur von 150 bis 200 C gehalten wird- Nach Kühlen und Entlüften des Behälters wird das Innere mit einem Lösungsmittel gewaschen. Das Lösungsmittel wird dann evakuiert und der Rückstand fraktioniert destilliert,
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BOEHMERY &
um das fluorierte Produkt (VII) zu erhalten.
In Gleichung (4) wird Buthyllithiuin einer Lösung des Perfluoroalkyläthers (VI). bei -70 bis -80 C zugegeben. In der Reaktion, die im allgemeinen 15 Minuten bis 1 Stunde anhält, wird das Brom von (VI) durch das Lithium ersetzt, was perfluoriertes (VII) ergibt. Am Ende der Reaktion wird eine Lösung von Phosphortrichlorid zu (VII) zugefügt um ein erfindungsgemäßes Phosphin (VIII) zu ergeben. In Gleichung (5) wird die Mischung bei -70 bis -80 C 0,5 bis 1,5 Stunden gerührt, woraufhin sie langsam über 3 bis 10 Stunden hin auf -25 bis -35 erwärmt wird. Die Aufbereitung des Produkts geschieht durch Zugabe verdünnter Salzsäure (HCL) zur Mischung, die phasensepariert ist. Die viskose Bodenlage wird mit Wasser gewaschen, mit einem fluorierten Lösungsmittel verdünnt und getrocknet. Nach Filtration und Entfernen des Lösungsmittels wird Phosphin (VI) durch fraktionierte Destillation als eine viskose Flüssigkeit gewonnen.
Die Materialien, die in der Herstellung der Zwischenprodukte und des Phosphins benutzt werden, sind bekannte, in der Literatur beschriebene Verbindungen. Die obige Beschreibung illustriert die Herstellung von paraständigen, substituierten Verbindungen. Es liegt innerhalb des Erfindungsgedankens Meta- oder Ortho-Isomere als Antikorrosionsadditive in der Schmierstoffzusammensetzung zu benutzen. Beim Synthetisieren dieser Isomere wird jeweils 1,3- und 1,2-Dibromotetrafluorobenzen als Ausgangsmaterial benutzt.
Jedes der Formel Rf:ORfC(O)X entsprechendes Azylhalogenid kann benutzt v/erden, wobei RfORf eine Perf luoroalkyläthergruppe und X ein Halogen ist. Beispiele von geeigneten Azylhalogeniden, die der Ausgangsstoff der R,0Rf-Gruppen sind, sind in den US-PS'en 3 124 599, 3 214 478 und 3 721 669 beschrieben. Derart kann
8Q98; S/0512
BOEHMERT & BOEKMERT
ΛΛ
eine Vielfalt von Ketonen entsprechend der Reaktion (2) synthetisiert werden. In (3) wird das Keton eine CF--Gruppe.
Die obige Beschreibung befaßt sich mit vollständig fluorierten Phosphinen. Jedoch liegt es innerhalb des Erfindungsgedankens, teilweise fluorierte Phosphine zu benutzen, d.h. η in (B) ist 1 oder 2. Es wird das gleiche Verfahren durchgeführt, außer daß in Gleichung (5) Phenyldichlorophosphin (n=2) oder Diphenylchlorophosphin (n-1) mit (VII) reagiert. Die entsprechende Reaktion kann durch die Gleichung (6) dargestellt werden:
nLi
F F
F F
(VII)
CF2RfORf
nLiCl +
RfORfCF2
F F
F F
H H
PCI
3-n
H H
3-n
In Gleichung (6) ist n=1 oder 2.
In der Darstellung des erfindungsgemäßen Schmierstoffes wird ein korrosiortshindernder Anteil des Phosphins mit linear fluoriertem Polyäther gemischt. Der Anteil des benutzten Phosphins liegt im allgemeinen im Bereich von 0,05 bis 5, vorzugsweise 0,5 bis 2 Gew.-i auf der Basis des Gewichts der Grundflüssigkeit. Die herausragen-
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BOEHMRKT & BOEITMERT
den Eigenschaften des erfindungsgemäßen Schmierstoffs müssen nicht nur der speziellen Grundflüssigkeit und dem Phosphin zugerechnet werden, sondern auch dem unerwartetem Effekt, der durch die Mischung beider erhalten wird. Es ist wichtig, daß die Antikorrosionsphosphine bei tiefen Temperaturen in der Grundflüssigkeit lösbar und im wesentlichen nicht flüssig bei erhöhten Temperaturen sind. So entsteht ein Schmierstoff, der einen Anteil an Antikorrosionsadditiven besitzt, der lang andauernden Anwendungen bei erhöhten Temperaturen angemessen ist, während er eine ausgezeichnete Aufbaustabilität nach Lagerung bei tiefen Temperaturen über eine lange Zeitdauer behält.
Gleichwichtig ist, daß die Grundflüssigkeit eine relativ konstante Viskosität über einen breiten Temperaturbereich besitzt. In der Zeichnung (Fig. 1) ist die Veränderung der kinematischen Viskosität über einen weiten Temperaturbereich für drei oben angeführte Grundflüssigkeiten illustriert. Die Daten wurden in Übereinstimmung mit ASTM D445 erhalten. Aus den Graphen ist ersichtlich, daß der Wechsel in der kinematischen Viskosität über einen weiten Temperaturbereich relativ klein ist und daß die Grundflüssigkeiten über den Bereich unter den Prüfbedingungen fließbar und pumpbar sind. Jedoch wurde ebenso gefunden, daß die Grundflüssigkeit per se unter Benutzungsbedingungen bei erhöhten Temperaturen sich rasch zersetzt. Überraschenderweise wurde entdeckt, daß die Phosphinädditive bewirken, die Grundflüssigkeit bei erhöhten Temperaturen gegen oxidative Einflüsse zu stabilisieren, ohne deren wünschenswerte Viskositätseigenschaften zu beeinträchtigen. Die erfindungsgemäße Zusammenstellung hat eine relativ konstante Viskosität, so daß sie in einem weiten Temperaturbereich fließbar oder pumpbar ist.
Die folgenden illustrierenden Beispiele beabsichtigen nicht, die
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BOEHMERT & BOEHMERT
Erfindung unzulässig zu beschränken.
Beispiel I
Versuchsläufe wurden durchgeführt zur Bestimmung der Effektivität der erfindungsgemäßen Schmierstoff zusammensetzungen. Zusammensetzungen wurden angesetzt durch Mischen (1) einer Grundflüssigkeit mit der Formel:
RfO
wobei R-. CF, oder C3F1. ist; m und η sind ganze Zahlen, die solche Werte haben, daß die Flüssigkeit eine kinematische Viskosität von etwa 17,8 Zentistokes bei 100°F (38°C)hat, mit (2) verschiedenen Prozentsätzen an fluorierten Phosphinen auf der Grundlage des Gewichts der Grundflüssigkeit:
C2F7OCFCF2OCCF2
CF.
CF.
Die benutzte Grundflüssigkeit war Pomblin-Z-Flüssigkeit, ein Erzeugnis der Montedison, S.ρ.Α., Mailand, Italien.
Eine Probe von Stahl-, Titanlegierungen oder Titan wurde in die Zubereitung eingetaucht. Die Zusammenstellungen der Stahl-, und Titanlegierungen wurden in der Literatur beschrieben. Zum Vergleich wurden auch Versuchsläufe ausgeführt, bei denen die Proben in Polyätherflüssigkeit ohne antikorrosive Additive getaucht wurden. Die Materialien waren in einem Oxidationsversuchsrohr
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- 10 -
BOCHMHRY & BOiHMERT
/ff-
enthalten, das einen Abnahmeadapter besaß, der mit einem Luftbeschickungsrohr verbunden war. Ein Aluminiumstoppbad besaß Mittel zum Erhitzen des Versuchsrohrs und ein "über Bord"- ("overboard")-Prüfverfahren folgte (ohne Rücklaufkondenser).
Über 24 Stunden hin wurden durch die Zubereitung Luft mit einer Rate von einem Liter Luft pro Stunde geblasen. Die Läufe wurden bei einer konstanten Temperatur von 55O°F (288°C) ausgeführt. Die Proben und die Apparate wurden vor und nach Durchführung jedes Laufes gewogen.
Die erhaltenen Daten ergeben sich aus den folgenden Tabellen.
Tabelle I
Kinematische 550 F° (288°C) Gewichtswechsel, 410 rost 2 mg/cm zeug 440 C
Viskositäts- 52100 stahl rost
wechsel bei Trag M-50 freier
Gew.-% ΙΟΟΤζ (%) Flüss.- 4140 Stahl freier Stahl Werk- -2.37 Stahl
Additive = 38 C verlust Stahl +0.68
(D Gew.-% +0.01 -3.10
+3.99 +1.02 +0.12
+0.22 +0.48 -5.54 0.00
keine +0.85 83.75 +0.024 +0.51 +0.01 +0.16
0.5 0.57 -0.87 +0.031 +0.05
1.0 0.31 +0.042 +0.84 +0.13
2.0 0.69 +1.22
600°F (316°C)
keine
0.5
1.0
2.0
(D
0.0
+0.1
HD.22
100
0.53
0.25
0.45
-3.54 -3.61 +1 .43 +4.65
+1 .60 +1.38 +0.41 +0.46
-8.58 +O.6O -9.89
-0.01 +2.25 -0.01
-0.35 +0.44 -0.02
0.00 +2.74 +0.01
zur Mes^ong ungenügend
5 J 2
-11-
BOEHMi· RT & BOERMERT
Gew.-% Kinematische Tabelle II Gewichtswechsel mg/an Ti (rein) Ti(4Ai4Mn)
Additive Viskositäts
wechsel bei
1OTT (%)
= 38°C
TK6A14V)
Tanp. ΐ keine -97.22 Flüss -0 .28 -0.28
0.5 + 3.87 verlust
Gew. -%
-KD.06 0 .00 ■KD.03
550 (288) 1.0 -K).16 59.87 -K).O6 -K) .01 -MD.01
550 (288) 2.0 -K3.39 0.57 4O.01 +0 .05 -KD.1O
550 (288) II 0.10 -K).07
550 (288) 0.17
Beispiel
Die Versuchsläufe wurden nach dem gleichen, wie im Beispiel I beschriebenen Verfahren durchgeführt, und die gleiche Grundflüssigkeit wie in Beispiel I wurde benutzt unter Veränderung der Gewichtsprozentsätze verschiedener fluorierter Phosphine:
H H
H H
CF3O(CF2O)3CF2CF2
CF2CF(OCF2CF)4OC3F7;
CF.
CF.
F F
F F
BOEfIMCKT & UOIiHMERT
P; und
C3F-OCFCF2
CF.,
F F
Die in den Läufen erhaltenen Daten sind im wesentlichen die gleichen wie die in den Läufen des Beispiels I erhaltenen Daten.
Die Daten zeigen, daß die erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzungen nur geringe, wenn überhaupt korrosive Auswirkungen auf Titan, und Eisen- und Titanlegierungen haben. Es gab im wesentlichen keine Zersetzung der Schrpier stoff zusammensetzungen bei erhöhten Temperaturen, selbst wenn die Grundflüssigkeit per se beträchtlich zersetzt war. Es ist also ersichtlich, daß die Phosphinadditive sowohl als Antikorrosions- als auch als Antioxidationsmittel wirken. Wegen ihrer herausragenden Eigenschaften können die Schmiermittel zu Anwendungen benutzt werden, die extreme Temperaturbedingungen verlangen, einschließlich als Gasturbinenmaschinenschmiermittel, nicht brennbare hydraulische Flüssigkeiten, mit flüssigem Sauerstoff verträgliche Fette, flüssige Kühlmittel und Allzweckschmiermittel.
809815/0512
- 13 -

Claims (1)

  1. Ansprüche
    ί 1 .) Schmierstoff zusaramensetzung, gekennzeichnet durch eine Grundflüssigkeit, die im wesentlichen aus einer Mischung von linearfluorierten Polyäthern mit der Formel
    R^O(CF0CF0O) (CF0O) Rf r ZZm λ η f
    besteht, wobei Rf CF3 oder C0F5 ist, m und η ganze Zahlen sind deren Summe zwischen 2 und 200 und deren Verhältnis η zu m zwischen O,1 und 10 liegt; und einen Korrosionsverhinderungsanteil eines perfluoroalcyläther-substituierten Arylphosphins mit der Formel:
    R R
    H H
    3-n
    wobei eines der R eine Perfluoroalkyläthergruppe, zwei der R Fluorine und n=1, 2 oder 3 sind.
    2. Schmierstoffzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Phosphine auf der Basis des Gewichts der Grundflüssigkeit im Bereich von 0,05 bis 5 Gew.-% liegt.
    3. Schmierstoff zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Phosphine auf der Basis des Gewichts der Grundflüssigkeit im Bereich von 0,5 bis 2,O Gew.-% liegt.
    717
    809818/0512
    ORIGINAL INSPECTED
    BOEHMtHT & BOEriMERT
    4. SchmierstoffZusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der R der Phosphine
    F
    I
    F I
    C,F7O(CCF0O), CCF0-, C0F1. (CoF.0) CF0CF0- oder CF,0(CF0O) CF0CF0-; CF2 CF3
    ist, wobei x, y und ζ Null oder eine ganze Zahl zwischen 1 und einschließlich sind.
    5. Schmierstoffzusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Phosphin die folgende Formel besitzt:
    C3F7OCF(CF3)CF2OCF(CF3)
    F F 3
    6. SchmierstoffZusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Phosphin die folgende Formel besitzt:
    C3F7 (CF (CF3;CF2Oj 4CF(CF3)
    F F
    LH H
    7. SchmierstoffZusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Phosphin die folgende Formel besitzt:
    F F _
    C3F7CCF(CF3)CF2
    F F 3
    3. SchmierstoffZusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Phosphin die folgende Formel besitzt:
    809815/0512
    ßOLHMIlRT & BOcFMFRT
    CF3O(CF2O)
    9. Schmierstoffzusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Phosphin die folgende Formel besitzt:
    F F
    F F
    P .
    809815/0512
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